43408

Моделирование технологии получения отливки «ОТЛИВКА» из сплава марки СПЛАВ методом литья в МЕТОД ЛИТЬЯ в системе компьютерного моделирования литейных процессов СКМ

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Произвести компьютерное моделирование заполнения и затвердевания отливки по заданному технологическому процессу. Провести анализ полученных результатов и дать рекомендации по улучшению предложенного технологического решения. Обозначить вероятные проблемы и возможные дефекты литья, выявленные в ходе анализа. Применить для анализа СКМ ЛП LVMFlow.

Русский

2013-11-05

578 KB

29 чел.

Федеральное агентство по образованию

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

кафедра литейного производства и упрочняющих технологий

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу

«Моделирование процессов

и объектов металлургии»

Тема: Моделирование технологии получения отливки «ОТЛИВКА» из сплава марки СПЛАВ методом литья в МЕТОД ЛИТЬЯ в системе компьютерного моделирования литейных процессов СКМ

Студент:       СТУДЕНТ

       

Дата сдачи: _________ 2011 г.   ______________________

Преподаватель:      Злыгостев С.Н.

Оценка ________ баллов.    ______________________


Содержание

[1]
Задание на курсовую работу

[2]
Подготовка расчетной модели

[3]
Моделирование процесса заполнения

[4]
Моделирование процесса затвердевания

[5]
Анализ результатов моделирования

[6]
Заключение

[7]
Список использованной литературы


Введение

Моделирование как метод исследования процессов (систем) включает в себя две составляющие – построение модели и использование ее для исследования свойств и поведения объекта. Одному и тому же объекту – оригиналу – в зависимости от целей моделирования может соответствовать большое число моделей, отражающих разные его стороны и поэтому имеющих разную структуру.

Построение математических моделей состоит из следующих основных этапов: формулировки целей моделирования; выделения объекта моделирования из среды; построения модели отдельных технологических блоков; переноса знаний с модели на объект.

Моделирование в металлургии, а точнее в литейном производстве является уже достаточно сформировавшимся практическим направлением деятельности технолога. Имеется программное обеспечение, с помощью которого можно эффективно решать текущие задачи разработки, анализа и оптимизации литейной технологии.

Целью данной курсовой работы является закрепление теоретических познаний о моделях литейных процессов и их практическом применении в технологических или научных изысканиях. Ставится задача освоения современных программных средств анализа – систем компьютерного моделирования литейных процессов. Задача решается с применением отечественной разработки – СКМ ЛП LVMFlow.

В ходе выполнения курсовой работы должно сложиться понимание процесса компьютерного моделирования и его особенностей. Появляется возможность «заглянуть внутрь» литейной формы и наблюдать за происходящими в ней процессами, делая соответствующие выводы и принимая правильные и обоснованные технологические решения.


Задание на курсовую работу

Произвести компьютерное моделирование заполнения и затвердевания отливки по заданному технологическому процессу. Провести анализ полученных результатов и дать рекомендации по улучшению предложенного технологического решения. Обозначить вероятные проблемы и возможные дефекты литья, выявленные в ходе анализа. Применить для анализа СКМ ЛП LVMFlow. Подготовить отчетность в виде картинок, включенных в пояснительную записку, иллюстрирующих распределения тех или иных величин, на основании которых сделаны соответствующие предположения или выводы.

Исходными данными для выполения курсовой работы являются:

Файл с объемной геометрией отливки, литниково-питающей системы, стержней, холодильников и прочих элементов литейной технологии заданного варианта.

Задана отливка – «колесо цельнолитое».

Марка сплава  – АК7

Метод литья – литье под низким давлением в кокиль

Особые условия – теплоизолирующее покрытие, 0,2 мм, подогрев кокиля до 300 ºС, металловод длиной 720 мм, глубина погружения – 500 мм, диаметр тигля 450 мм. Время заполнения около 6 секунд.

 


Геометрия отливки, основные характеристики


Теоретические основы моделирования

В основе модели кристаллизации сплавов пакета LVMFlow лежит квази-равновесная теория [3]. Это макроскопическо-феноменологическая теория. В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются в температурном интервале от температуры ликвидуса до температуры солидуса (Тлик - Тсол). В этой зоне, называемой двухфазной зоной, присутствуют как жидкая так и твердая фаза. При этом образующаяся твердая фаза находится в равновесии с жидкой фазой. Низкие значения коэффициентов диффузии элементов в сравнении с коэффициентом температуропроводности сплавов и слабость конвективного смешивания позволяют пренебречь процессами диффузии как в твердой так и в жидкой фазах. Главное предположение теории двухфазной зоны - состояние двухфазной зоны можно описатьс помощью макроскопических функций, аналогично температурным полям T(r, t), полям скорости V(r, t) и так далее.

S(r, t) - объемная доля твердой фазы;

L(r, t)- объемная доля жидкой фазы;

P(r, t)- объемная доля пустоты.

Все эти функции являются локальными функциями координат и времени и принимают значения в интервале от 0 до 1. Их сумма равна 1.

S(r, t) + L(r, t) + P(r, t) = 1

Тогда баланс массы во временных производных выглядит следующим образом:

Закон сохранения массы сводится к уравнению:

ρS(T) и ρL(T) - плотности жидкой и твердой фаз металла как функции температуры.

Закон сохранения массы компонент сплава приводится к уравнению:

где - концентрации i-й компонеты сплава в жидкой и твердой фазах, находящиеся в равновесии при температуре Т. Они определены из фазовой диаграммы состояний многокомпонентной системы.

Вследствие недостатка данных по фазовым диаграммам для много-компонентных систем и также для упрощения модели, как базовая была принята модель двухкомпонентного сплава (Fe-C, Al-Si, Fe-Cr, Fe-Ni, Cr-Ni классы и так далее) с его базовой двухкомпонентной диаграммой состояний.

Оставшиеся компоненты сплава учитываются по их модифицированию базовой диаграммы - опорные точки смещаются линейно в зависимости от концентрации компонент сплава. Коэффициенты смещения являются входными параметрами для класса сплавов. Уравнения ликвидуса и солидуса выводятся из модифицированной диаграммы.

К этой системе уравнений требуется добавить основное уравнение. Это уравнение теплопроводности с источниками и конвективным теплопереносом.

- плотности жидкой и твердой фаз сплава, функции температуры;

- удельные теплоемкости жидкой и твердой фаз сплава, функции температуры;

λ – коэффициент теплопроводности сплава, функция температуры;

q – скрытая теплота кристаллизации сплава.

Конвективным теплопереносом можно пренебречь для небольших отливок, где тепловая конвекция не может развиться и в результате охлаждение металла и нагревание формы во время заполнения формы пренебрежимо малы.

Модель образования усадочных дефектов основана на теории перколяции.

Дендритный каркас двухфазной зоны оказывает сопротивление потоку жидкости, возникающему в процессе усадки. Скорость перколяции жидкости пропорциональна градиенту давления и проницаемости каркаса.

где p – давление.

Проницаемость m(S) это функция твердой фазы и, в соответствии с теорией перколяции, обращается в ноль, если доля твердой фазы больше чем критическая доля перколяции Sp.

m(S)=0 S>Sp 1.6

Теория перколяции дает Sp~0.7 значение для порога протекания.

Значение порога протекания 1-Sp вводится в LVMFlow&Solid как параметр сплава.

Если жидкая фаза изолирована в отливке во время затвердевания, окружена двухфазной зоной с долей твердой фазы >Sp, эта фаза не может питаться жидкостью во время процесса затвердевания, и в результате происходит разрыв непрерывности и здесь начнет образовываться усадка . В настоящем пакете суммарная усадка рассчитывается для каждого изолированного жидкого узла и затем она распределяется по изолированному объему жидкости в зависимости от гравитационного поля, проницаемости зоны и рапределения температуры. .

Если локализованное жидкое ядро содержит литниковую точку, тогда считается, что эта зона питается расплавом через литниковую точку и усадочные полости не образуются в этой зоне (бесконечная поставка питающего металла).

Усадка образовавшаяся в зонах с S>Sp не принимает участия в общей усадке отливки и образует распределенную пористость.

Модель образования усадочных дефектов базируется на понятии порога протекания CLF. В процессе счета в каждом узле отливки рассчитывается доля жидкой фазы. Если доля жидкой фазы в узле меньше значения CLF, то этот узел не пропускает жидкость даже под давлением. Если область 1, содержащая узлы с долей жидкой фазы больше порога протекания, оказывается окруженной областью 2 с узлами, где доля жидкой фазы меньше порога протекания CLF, то в области 1 будет формироваться усадка. Если область 1, содержит питающую точку, то в процессе затвердевания нее поступает расплав, и усадочные дефекты в ней не образуются.

Расчет распределения сформировавшихся усадочных дефектов базируется на принципе минимальности энергии. В модели Сильного влияния гравитации преобладающая энергия - это потенциальная энергия жидкости в поле тяжести. Поэтому из принципа минимальности энергии следует, что жидкость должна располагаться в нижней части зоны, т.е. усадка локализуется в верхней части зоны.

В модели Слабого влияния гравитации определяющая энергия - это энергия поверхностного натяжения, вычисляемая как произведение коэффициента поверхностного натяжения на площадь поверхности (поверхность здесь это граница жидкость - вакуум), коэффициент поверхностного натяжения является функцией температуры. Чем больше температура, тем меньше коэффициент поверхностного натяжения. Принцип минимальности энергии в этом случае, требует сокращения поверхности и локализации дефектов в области, где приращение поверхностной энергии меньше, т.е. в области с более высокой температурой и большей долей жидкой фазы. Чем меньше количество жидкой фазы, тем более разветвленная структура дендритов, тем больше поверхности обнажается при выталкивании жидкости из этой зоны.

В модели Среднего влияния гравитации энергия системы представляет сумму поверхностной энергии и потенциальной энергии жидкости в поле тяжести. Место распределения усадки определяется минимальностью этой суммарной энергии.


Подготовка расчетной модели

Основой корректного моделирования является задание наиболее точных сведений о теплофизических свойствах всех материалов, фигурирующих в расчетной модели [2].

Химический состав сплава указан в табл. 1. Теплофизические свойства сплава отливки, материала формы и стержней приведены в табл. 2-4.

Таблица 1

Химический состав сплава СПЛАВ

Массовая доля элементов, %

Таблица 2

Теплофизические свойства сплава СПЛАВ

Наименование свойства

Обозначение

Значение

Температура ликвидус, ºС

Tliq

Температура солидус, ºС

Tsol

Скрытая теплота кристаллизации, Дж

Qcr

Скрытая теплота эвт. превращения, Дж

Qeut

Порог протекания, %

П.прот

Таблица 3

Теплофизические свойства сплава СПЛАВ, зависящие от температуры

Температура,

ºС

Плотность,

кг/м3

Теплоемкость, Дж/(кг·ºС)

Теплопроводность,

Вт/(м·ºС)

Таблица 4

Теплофизические свойства материала формы

Температура,

ºС

Плотность,

кг/м3

Теплоемкость, Дж/(кг·ºС)

Теплопроводность,

Вт/(м·ºС)

Преобразование исходной геометрической модели и её правильная оринтация в пространстве осуществляется в модуле 3D импорт [1].

Создание расчетной сетки [1] в СКМ ЛП основано на следующих правилах: в минимальное сечение отливки должно помещаться не менее 2 шагов разностной сетки и требуемая для расчета оперативная память должна соответствовать имеющемуся оборудованию. Поскольку отливка имеет минимальное сечение 8 мм, то примем шаг сетки равным 4 мм. Объем оперативной памяти для расчета составит не более 400 Мб, что является допустимым для компьютера с установленной оперативной памятью 4 Гб.

Температуру заливки сплава СПЛАВ примем равной 700 ºС, начальную темпертатуру формы (кокиля) зададим равной 400 ºС.


Моделирование процесса заполнения

Моделирование процесса заполнения производится с помощью модуля «Полная задача». Заливка выполняется из поворотного ковша, значит выберем режим – «гравитационное литье – струя». Массовый расход металла примем 4 кг/с. Напор составляет 100 мм над уровнем входа в заливочное отверстие.

Структура потока сплава в литниковой системе показана на рис. 1

Рис. 1. Структура потока расплава в полости литейной формы на 1 секунде.

Движение расплава носит близкий к ламинарному характер, локальная скорость потока не превышает 1 м/с. Для литья в кокиль такой режим заполнения приемлем.

Распределение температуры сплава в форме (рис. 2) на второй секунде показывает, что происходит падение температуры в удаленных от литниковой точки участках формы примерно до 535 ºС, то есть на 165 ºС. Такое интенсивное захолаживание сплава вызвано высокой теплоемкостью кокиля. Требуется нанесение на кокиль слоя теплоизолирующей краски.

Рис. 2. Распределение температуры в отливке при заливке в момент времени 1.5 секунды от начала заливки.

Рис. 3. Распределение жидкой фазы в отливке при заливке в момент времени 1.4 секунды от начала заливки.

Показанное на рис. 3 распределение доли жидкой фазы дает основания полагать, что возможны дефекты типа «недолив» в нижних кромках лопаток колеса. Эти элементы кокиля необходимо окрашивать теплоизолирующей краской в первую очередь.


Моделирование процесса затвердевания

Затвердевание моделируется в модуле «Полная задача» сопряженно с процессом заполнения. После прекращения заливки решение продолжается, но моделируется только тепловой процесс. Наиболее интересными являются финальные стадии кристаллизации отливки, на которых выявляется наличие или отсутствие изолированных от подпитки зон жидкой фазы. Наличие таких зон в теле отливки приведет к развитию усадочной макро и микропористости. Обнаружение этих зон дает дополнительные сведения о работе литниково-питающей системы и возможностях её оптимизации.

Рис. 4. Изолированные зоны жидкой фазы в теле отливки на последних стадиях затвердевания. Зоны потенциальной пористости.

На рис. 6

видны зоны жидкой фазы в теле отливки, испытывающие дефицит питания. Для устранения этих зон необходимо обеспечить направленную кристаллизацию – установить прибыли над соответствующими местами отливки.

Затвердевание отливки до температуры солидуса произошло за 4 минуты 23 секунды. Таким образом цикл работы кокиля может составлять от 5 до 10 минут. Для более точного определения цикла работы кокиля необходимо выполнить циклический расчет с учётом фаз выбивки, охлаждения и подготовки кокиля к последующей заливке.


Анализ результатов моделирования

Распределение усадочных дефектов в отливке ОТЛИВКА показано на рис. 5-8. Отливка поражена усадочными дефектами в наиболее критичных местах – местах примыкания лопаток к бандажу колеса. Как было показано ранее, это следствие неправильной организации питания отливки и отсутствие направленного затвердевания

Рис. 5. Распределение усадочных дефектов. Вид спереди.

Рис. 6. Распределение усадочных дефектов. Вид сверху.

Рис. 7. Распределение усадочных дефектов. Вид сбоку.

Рис. 8. Распределение усадочных дефектов. Объемный вид.


Заключение

В результате проведенного моделирования заливки и затвердевания отливки «ОТЛИВКА» из сплава СПЛАВ методом МЕТОД выявились следующие особенности:

- сеточная модель создавалась с шагом сетки … мм

- число узлов в отливке составило …, в форме …

- требуемый для выполнения расчета объем памяти составил … Мб.

- время счета полной задачи составило …

- время заполнения формы сплавом составило … секунд.

- время полного затвердевания отливки составило … минут.

- распределение усадочных раковин показывает плотность отливки, значит литниково-питающая система спроектирована правильно.

- на этапе заполнения формы выявились участки формы, где возможно образование дефектов типа недолива (рис. 2, нижние части лопастей колеса)

- распределение доли жидкой фазы на 49 секунде показывает наличие изолированных от питателя жидких зон, в которых возможно появление усадочной микропористости.


Список использованной литературы

  1.  Методические указания по выполнению лабораторных работ в курсе «Моделирование процессов и объектов в металлургии». Импорт и препроцессор сисмемы моделирования LVMFlow.
  2.  Методические указания по выполнению лабораторных работ в курсе «Моделирование процессов и объектов в металлургии». Банк материалов сисмемы моделирования LVMFlow.
  3.  Справочная система LVMFlow.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8760. Понятие и виды юридической ответственности 44 KB
  Понятие и виды юридической ответственности Юридическая ответственность -возникшее из правонарушений правовое отношение между государством в лице его специальных органов и правонарушителем, на которого возлагается обязанность претерпевать...
8761. Система права. Отрасли права 52 KB
  Вариант 1 Система права. Отрасли права. Методы правового регулирования позволяют ответить на вопрос как, каким образом осуществляется правовое регулирование? Императивный (повелительный, обязательный) - предполагает властные предписания...
8762. Гражданское право 42 KB
  Гражданское право. Понятие гражданского права Предмет и метод гражданского права. Гражданское право как отрасль права - это система правовых норм, регулирующих имущественные, а также связанные и некоторые не связанные с ними личные неимущественны...
8763. Место религии в системе отношений человека и окружающего мира. Мировые религии 28 KB
  Место религии в системе отношений человека и окружающего мира. Мировые религии Религия является одной из древнейших и основных (наряду с наукой, образованием, культурой) форм духовной культуры Религия(1) - совокупность определенных мифов, догма...
8764. Образование и его роль в развитии общества 40 KB
  Образование и его роль в развитии общества Образование - целенаправленная познавательная деятельность людей по получению знаний, умений и навыков, либо по их совершенствованию. Основная цель образования - приобщение индивида к достижениям...
8765. SSL/TLS 35.5 KB
  SSL/TLS ПротоколSSL (Security Socket Layer) и близкий к нему протокол TLS (TransportLayerSecurity) представляют собой протоколы транспортного уровня (над ТСР) предназначенные для защиты прикладных протоколов [8,...
8766. Протокол FTP 37.5 KB
  FTP Протокол FTP (File Transfer Protocol) является одним из старейших протоколов стека ТСРIP [4, с. 434-460 3, с. 841-850]. Этот протокол для передачи файлов использует два ТСР соединения, одно - для передачи команд (порт 21 на стор...
8767. Протокол HTTP 34 KB
  HTTP Протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) является базовым для службы WWW (World Wide Web) доступа к документам с гипертекстовым ссылками. Согласно эт...
8768. Telnet - базовый протокол ОС UNIX 39.5 KB
  Telnet Telnet - базовый протокол ОС UNIX, обеспечивающий терминальный доступ пользователей к удалённому компьютеру [4, с. 423-433]. Первоначально терминалом являлось устройство типа пишущей машинки, на котором оператор (пользователь) печат...